vLLM V1 重磅升级：核心架构全面革新
本文主要是 翻译简化+个人评读，原文请参考：vLLM V1: A Major Upgrade to vLLM’s Core Architecture
vLLM V1 开发背景
2025年1月27日，vLLM 开发团队推出 vLLM V1 alpha 版本，这是对框架核心架构的里程碑式升级。基于过去一年半的开发经验沉淀，vLLM 开发团队重新审视关键设计决策，整合多样化功能模块，并通过代码重构大幅提升框架的灵活性和可扩展性。
V1 版本在性能上已实现业界领先水平，且未来将持续优化。更令人振奋的是，用户可通过设置环境变量 VLLM_USE_V1=1 无缝启用新架构，完全兼容现有 API。经过数周的测试与反馈收集后，V1 将正式成为默认推理引擎。
架构升级的深层逻辑 从 V0 到 V1 的进化之路 vLLM 在过去18个月成功支持了多样化 模型架构、功能特性和硬件后端。但随着社区生态的横向扩展，vLLM 逐渐面临系统复杂度膨胀和纵向优化整合的挑战。各类功能模块的独立开发模式导致组合应用效率低下， 技术债务的积累促使 vLLM 重新审视底层 架构设计。
V1 的设计哲学 基于上述背景，本次升级聚焦四大核心目标：
- 构建简洁、模块化、易扩展的代码架构
- 实现接近零CPU开销的高效推理
- 将关键优化技术整合至统一架构
- 默认启用核心功能，实现零配置体验
这种设计思路体现了软件工程中的"高内聚低耦合"原则，通过架构重构打破功能孤岛，为后续技术迭代奠定基础。
技术亮点全解析
1. 优化执行循环 & API 服务器
随着 GPU 计算速度的跃升（如 Llama-8B 在 H100 上的单步推理时间已缩短至5ms），传统架构中 API 服务器、调度器、输入预处理等CPU密集型操作逐渐成为性能瓶颈。
V1 创新性地引入：
- 隔离式 EngineCore 执行核心：专注调度与模型执行
- 多进程深度整合：通过 ZeroMQ 实现 CPU 任务并行化
- 异步流水线：将 tokenization、多模态处理等操作与核心推理重叠执行
这种架构类似于CPU的乱序执行设计，最大化硬件资源利用率。
2. 统一调度器革新
突破性采用"无阶段"调度设计
- 统一处理用户提示词（prompt tokens）和模型生成词（output tokens）
- 动态调度字典：
{request_id: num_tokens}实现灵活资源分配 - 支持分块预填充（chunked-prefill）、前缀缓存（prefix caching）等高级特性
示例场景：在固定token预算下，调度器可智能分配不同请求的处理量，如图示动态分配策略。
3. 零开销前缀缓存
相较于 V0 版本存在的缓存命中率敏感问题，V1 实现三大突破：
- 哈希前缀缓存 + LRU 淘汰算法优化
- 恒定时间复杂度数据结构
- Python 对象创建开销最小化
实测数据显示：即便缓存命中率为0%，吞吐量损失<1%；高命中率时性能提升可达数倍，因此默认启用该功能。
4. 张量并行推理新范式
重构分布式推理架构：
- 消除 Worker 0 的特殊地位，实现对称架构
- 增量更新传输机制：仅传递状态差异（diffs）
- 统一单卡/多卡执行路径，抽象分布式逻辑
这种设计类似于分布式系统中的最终一致性模型，通过状态缓存降低通信开销
5. 持久化批次处理
在vLLM V0中，模型的输入张量和元数据在每一步都会重新创建，这通常会导致显著的CPU开销。为了优化这一点，V1版本实现了创新性 Persistent Batch 技术：该技术缓存了输入张量，并在每一步仅对它们应用差异（diffs）。
此外，V1通过广泛使用Numpy操作而非Python的原生操作，基于 numpy 的差异更新机制，最大限度地减少了更新张量时的CPU开销。
6. 编译优化双剑客
torch.compile自动优化：覆盖多种模型架构，减少定制内核开发- 分段式 CUDA Graphs：突破传统 CUDA Graphs 的限制
7. 多模态模型专项优化
将视觉语言模型（VLMs）支持提升至新高度：
- 异步预处理流水线：图像转码/裁剪等操作offload至独立进程
- 多模态前缀缓存：支持图像哈希的 KV 缓存
- 编码器缓存（encoder cache）：实现视觉特征跨步复用
8. FlashAttention 3 集成
动态批处理场景下，新一代注意力机制 FlashAttention 3 带来：
- 混合预填充/解码批处理支持
- 灵活的特征组合能力
- 全场景性能优势
性能基准测试
文本模型：Llama 3.1 8B & Llama 3.3 70B
由于广泛的架构增强，vLLM V1 实现了最先进的吞吐量和延迟，与 V0 相比（无多步调度），吞吐量提升了高达 1.7 倍（但光是看图的话，高QPS下似乎提升不止1.7）。这些显著的性能提升源于整个堆栈中 CPU 开销的全面减少。
使用 ShareGPT 数据集在 Llama 3.1 8B 和 Llama 3.3 70B 模型上测量了 vLLM V0 和 V1 的性能：V1 在高 QPS 下表现出比 V0 更低的延迟，鉴于 V0 和 V1 使用的内核几乎相同，性能差异主要源于 V1 的架构改进（减少了 CPU 开销）。
视觉模型：Qwen2-VL
通过使用 VisionArena 数据集测试 Qwen2-VL 来评估VLMs（视觉语言模型）的性能。
得益于其改进的VLM支持，V1相比V0带来了更大的速度提升，这主要归功于两项关键改进：
- 将输入处理卸载到单独的进程
- 为多模态查询实现了更灵活的调度
（看图类比之前的LLM测试，似乎吞吐量提升达2.3倍，多轮对话延迟降低60%？）
未来路线图
当前alpha版暂不支持的特性：
- 模型架构：编码器-解码器模型（Multimodal Llama 3.2）、Mamba架构等
- 功能特性：Log概率输出、流水线并行等
- 硬件支持：TPU等非NVIDIA设备
当然，如果要用之前的功能，可以通过不设置 VLLM_USE_V1=1 来继续使用 V0 并保持向后兼容性。
快速上手指南
三步启用V1引擎：
pip install vllm --upgrade
export VLLM_USE_V1=1
vllm serve <model-name>现有API完全兼容，基本只要设个环境变量就行了。
总结
vLLM V1 的发布标志着大模型推理引擎的一次重大飞跃。通过对核心架构的全面重构，V1 版本在性能、灵活性和可扩展性上都实现了显著提升。以下是本次升级的核心要点：
- 性能飞跃：通过优化执行循环、统一调度器和零开销前缀缓存等技术，V1 在吞吐量和延迟上实现了高达1.7倍的性能提升，尤其在视觉语言模型（VLMs）上的表现更为突出。
- 架构革新：V1 引入了简洁、模块化的代码架构，支持动态调度和持久化批次处理，显著降低了CPU开销，并为未来的功能扩展奠定了坚实基础。
- 多模态支持：V1 将视觉语言模型（VLMs）通过异步预处理、多模态前缀缓存和编码器缓存等技术，大幅提升了多模态模型的推理效率。
- 易用性提升：用户只需设置环境变量即可无缝切换到 V1，完全兼容现有 API，实现了零配置体验。
- 未来展望：虽然 V1 目前仍处于 alpha 阶段，部分功能尚未完全覆盖，但其架构设计为快速迭代和新功能开发提供了强大支持。开发团队正在积极完善对更多模型架构、功能特性和硬件后端的支持。
vLLM V1 不仅是一次技术升级，更是对未来大模型推理生态的一次重要布局。我们期待与开发者社区共同探索更多可能性，推动大模型技术的边界不断扩展。立即体验 V1，感受新一代推理引擎的强大性能！